Les circuits en série

Deux ampoules de 12 Ω montées en série sur une pile de 6 V reçoivent chacune 3 V et sont traversées par 0.25 A. Chacune dissipe le quart de la puissance qu'elle aurait si elle était branchée seule.

Un seul chemin pour le courant

Dans un circuit en série, les éléments sont reliés les uns à la suite des autres : il n'y a qu'un seul chemin dans la boucle. Chaque coulomb qui quitte la pile doit traverser chaque élément à tour de rôle. D'où la première règle des circuits en série : l'intensité est la même partout dans la boucle. Place un ampèremètre avant la première lampe, entre les lampes ou après la dernière : il indique toujours la même valeur. Les charges ne peuvent s'accumuler nulle part ; tout ce qui entre dans un élément doit donc en ressortir.

Les résistances s'additionnent

Chaque élément reçoit une partie de la tension de la pile. Sur un tour de boucle, la somme des tensions aux bornes des éléments doit être égale à la tension de la pile, car chaque coulomb cède toute l'énergie qu'il a reçue. Avec la même intensité I dans chaque élément, les chutes de tension valent I R₁, I R₂, etc., et leur somme vaut I (R₁ + R₂ + ...). L'ensemble se comporte donc comme une seule résistance de valeur R = R₁ + R₂ + R₃ + ... . C'est pourquoi ajouter des éléments en série augmente toujours la résistance totale et diminue l'intensité.

Passons au calcul

Prends le circuit initial du laboratoire : une pile de 6 V et deux lampes de 12 Ω en série. La résistance totale vaut 12 + 12 = 24 Ω, donc l'intensité est 6 ÷ 24 = 0.25 A. Chaque lampe a une tension V = 0.25 × 12 = 3 V à ses bornes, et les deux tensions donnent bien 6 V au total. Une lampe seule sur la même pile serait traversée par 0.5 A et recevrait la totalité des 6 V. OpenStax traite un exemple avec des résistances différentes : 1.00 Ω, 6.00 Ω et 13.0 Ω en série sous 12.0 V. Le total vaut 20.0 Ω et l'intensité 0.600 A ; les tensions valent 0.600 V, 3.60 V et 7.80 V, soit 12.0 V au total. Remarque que la plus grande résistance reçoit la plus grande part de la tension.

Les avantages et les limites du montage en série

Puisqu'il n'y a qu'un chemin, un seul interrupteur placé n'importe où dans la boucle commande tout le circuit. C'est exactement le rôle d'un interrupteur d'éclairage : il est monté en série avec la lampe qu'il commande. Les fusibles et les disjoncteurs sont aussi montés en série, afin que tout le courant les traverse. Mais cette propriété est aussi le point faible du montage. Si une lampe grille, son filament se rompt, le circuit s'ouvre et toutes les autres lampes de la chaîne s'éteignent aussi. Essaie dans le laboratoire en retirant une lampe.

Ajouter des lampes en série diminue aussi leur éclat. Avec trois lampes de 12 Ω sous 6 V, la résistance totale vaut 36 Ω et l'intensité 6 ÷ 36 ≈ 0.167 A : chaque lampe ne reçoit que 2 V. La tension de la pile se répartit entre un nombre croissant d'éléments, qui en reçoivent chacun une plus petite part. On peut aussi monter des piles en série pour additionner leurs tensions : deux piles de 1.5 V bout à bout donnent 3 V, et quatre donnent 6 V. Si l'une est placée à l'envers, sa tension se soustrait au lieu de s'ajouter.